基于生物质棉纤维的功能材料制备及其在污水处理中的应用

作     者：李紫宇 

作者单位：安徽工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾志刚

授予年度：2018年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：棉纤维 功能材料 有机废水 吸附 催化降解 

摘      要：近年来,水体污染已经成为威胁人类和动植物生存的重要因素之一,在水体污染的治理方面,有两种类型污染物的处理难度较大。首先是存在于水体中的染料,其在水体中即使浓度很小也会威胁到周边动植物的生存。另外,硝基酚类污染物的毒性很强,并且可以在水体中长期存在,难以降解,从而也是目前水体污染的重要问题所在。本研究中,通过化学和物理方法对天然生物质棉纤维进行处理,得到一系列不同的功能材料。制备出的功能材料用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、傅立叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、氮气脱附吸附仪和X射线光电子能谱(XPS)等手段进行表征,并探究其处理有机染料及催化还原对硝基苯酚的性能。其主要研究成果如下:(1)通过新颖且简便的有限空气煅烧法处理棉花废弃物,得到了碳纤维气凝胶材料,并用于吸附水体中有机染料亚甲基蓝(MB)。研究表明,合成的碳纤维气凝胶材料保持了棉花特有的形貌,直径约10μm,比表面积约为457.73 mg。对MB的吸附实验中,探究了吸附剂制备时的条件以及吸附温度的影响。结果表明,在有限空气煅烧过程中,煅烧温度600C,棉花装填量为0.25 g时,所得到的材料吸附性能最好。而且温度越高,材料对MB的吸附效果越好。通过动力学以及等温吸附模型对材料的吸附过程进行拟合,结果表明Lagergren二级动力学模型和Langmuir热力学模型可以更好的描述实验结果。(2)利用生物质棉纤维表面活性基团较多这一特点,将银颗粒修饰在棉花表面,合成了银-棉花复合材料(FAC),并探究其对水体中对硝基酚(4-NP)的催化还原性能。对FAC进行一系列的表征分析,逐步证明了银颗粒已成功负载到了棉纤维的表面,银颗粒尺寸约为20 nm-100 nm。FAC对水体中对硝基苯酚的催化还原效果很好,最快仅需2 min便可将水体中的4-NP完全降解。实验还探究了棉花表面银含量,FAC加入量以及4-NP的初始浓度对催化效果的影响。结果表明:AgNO的加入量为0.5 g,FAC加入量为30 mg以及4-NP的初始浓度为1 mM时,4-NP的还原降解速率最快。此外,将FAC置于砂型漏斗底部,形成催化层以探究其实际应用潜力。结果表明,4-NP溶液流经催化层后迅速由黄色变为无色,说明材料具有优异的催化性能且具有实际应用的潜质。(3)本实验中,采用天然生物质棉纤维作为模板,将银颗粒负载到其表面,之后将棉纤维去除,得到棉花状的银纤维(AFs),探究了其对对硝基苯酚的催化还原效果以及其作为表面增强拉曼散射(SERS)基底对于染料分子的探测效果。研究表明,所得到的材料(AFs)很好的保持了棉纤维的形貌,并且具有多孔结构。其对水体中4-NP的催化效果较好,15 min之内便可将水体中的4-NP降解完全。此外,初步的SERS实验表明,所得到的AFs可作为染料分子(MB)痕量检测的高灵敏SERS基底,其分辨率可达到10M。(4)本实验延续之前工作的思路,以棉纤维作为模板,得到一系列具有棉花形貌的银纤维材料,之后将其直接浸泡在不同浓度的Fe Cl溶液中,使材料与FeCl以一定的摩尔比进行反应,最终得到Ag/AgCl复合材料,并探究了其对水体中甲基橙染料(MO)的光催化性能。实验结果表明,Ag/AgCl复合材料完好的保留了纤维状的形貌,且在银纤维与Fe Cl摩尔比为1:1.5的条件下可以得到光催化活性最高的材料,在40 min之内即可完成水体中MO的降解。此外,我们对材料的循环利用性能也进行了探究,所制备的材料经过四次循环后依然具有较高的光催化活性,第四次MO的降解率约为78.51%。